[發明專利]一種利用指紋法的室內無線定位方法

有效

• 申請號: 201310044048.8
• 申請日: 2013-02-04
• 公開（公告）號: CN103139907A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 孫艷豐;胡永利;周薇
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H04W64/00
• 分類號: H04W64/00
• 代理公司: 北京中北知識產權代理有限公司 11253
• 代理人: 馮夢洪

技術領域

本發明屬于無線定位的技術領域，具體地涉及一種利用指紋法的室內無線定位方法。

背景技術

目前，位置服務和由此帶來的一系列應用越來越受到人們的關注，移動用戶對位置信息就地性和即時性的需求日益增加。很多用戶感興趣的事件，如環境監測、物流管理、火情報告，必須與位置信息相結合才有利用價值。目前已較為成熟的定位方法有GPS技術，被廣泛用于室外定位，定位精度可達到10米左右。而在室內，由于墻壁等因素的影響，定位精度難以達到人們的需要。因此在一些特定領域，如室內環境中獲取高精度的定位結果是人們必須考慮的問題。

基于wifi信號強度的定位有著分布廣泛，獲取方便等優勢，已成為室內無線定位方法研究的熱點之一。該方法需要在感興趣的定位區域設立多個無線路由器，作為訪問點（AP）。每個無線路由器可以發出信號，一般情況下信號強度值（RSS）會隨著距離的增加而衰減。不同的位置可以接收到不同的AP發來的信號，接收的信號強度值也不同。因此，基于wifi信號強度的定位可以根據某一位置接收到的來自各AP的信號強度值進行定位。

基于wifi信號強度的定位方法主要分為幾何測量法和場景分析法兩種。幾何測量法首先要求根據無線電信號的傳播模型（經驗模型或數學模型），將信號強度值映射為信號傳播的距離。在二維平面上，根據終端設備與其它至少三個AP間的距離，通過三邊測量的幾何學原理來進行位置估計。但是由于室內電波傳播的復雜性，信號強度受到多徑傳播、反射等影響，使得在實際室內環境很難用固定的數學模型來刻畫。場景分析法，又稱為指紋法，不是直接將信號強度值的測量映射為信號傳播距離，而是利用在某一地點觀察到的場景特征來推斷觀察者的位置，可以看作是先對信號強度與位置間的內在規律進行學習，然后再用新的測量值與學習過的樣本點進行匹配。

該方法最早在微軟的RADAR系統中于2000年提出，一般分為離線測量和在線定位兩個階段完成定位。離線測量是在需要定位的區域里按照一定的間隔距離選定若干采樣點，形成一個樣本點的網格，在這些樣本點位置上測量，記錄來自各個AP的信號強度測量向量，這些信息構成了信號強度指紋庫。該指紋庫描述了這一固定定位環境中信號強度與空間位置的關系。在線定位時，系統采用確定性匹配算法一一K最近鄰居(KNN)算法，根據測得的信號強度與數據庫中記錄的信號強度進行比較，信號強度均方差最小的那個點的坐標作為估計的位置。由于指紋法較傳統的電波傳播模型能更準確地描述RSS和空間位置的關系，且無需AP具體位置的先驗信息，因而被廣泛應用于基于RSS的室內定位系統中。

建立指紋庫是實現定位功能的基礎。為了減少RSS不穩定帶來的影響，傳統的建立指紋庫的方法是利用時間的相關性，在同一個樣本點下多次測量取平均值，如圖1所示，每個樣本點收集各個AP的信號強度值，直接將這些信息存入指紋庫。Shih-Hau?Fang提出一種動態系統，將RSS樣本的時間序列合并成一種狀態，使用狀態代替RSS直接進行位置估計。C.Feng在指紋庫中加入了方向信息，分別對0°、90°、180°、270°進行采樣，建立四個方向上的指紋庫，以減少人手持采樣設備等因素對信號的影響。

Xing-chuan?Liu提出信號除了時間相關，在空間上也有相關性，將一定半徑內的采樣數據進行加權平均，求得一個參考點。

BinghaoLi通過實驗對樣本點的數量進行了比較，表明隨著樣本點增加，樣本點間隔減小，位置估計的精度有所提高。但是樣本點越多，會給測量工作量帶來線性增長。作者指出樣本點存在空間相關性，即當測量一小部分樣本點時，他們不僅提供了這些位置下的信息，也提供了周圍區域的信息，利用空間相關性可以方便地獲得更多的樣本點信息。作者采用了反距離加權插值法法（LDW）和泛克里金插值法（UK）來建立指紋庫，如圖1所示，利用相鄰樣本點收集各個AP的信號強度值，估計之間的樣本點的信號強度值，一并存入指紋庫。

現有室內定位方法中大多將采樣的數據經統計后直接建成指紋庫，然而采樣點的密度與定位精度有著直接聯系，采樣點越密集，定位精度越高。這導致要想獲取精度高的定位效果，離線階段人工勞動工作量大、工作效率低。此外一部分定位方法采用插值法來構建指紋庫，但這種方法，插值點信息的準確度無法保證。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種大大降低對采樣點密度的要求、豐富信號強度分布信息、在降低工作量的同時保持高精度的定位結果的利用指紋法的室內無線定位方法。

本發明的技術解決方案是：這種利用指紋法的室內無線定位方法，包括離線訓練階段和在線定位階段，